冲击波场无线传感器节点的设计与实现

摘要

准确测量炸药爆炸产生的冲击波超压峰值和冲量，可以为武器研制过程中的爆炸类型判别、威力对比、性能评价提供依据。本文针对当前冲击波场超压测量中存在通用测试系统布设不方便、存储测试系统需要回收读数的问题，设计和开发了应用于冲击波场超压测试的无线传感器节点，探索具有无线数据传输与控制功能的爆炸冲击波场测试新方法。 本文在分析相关领域研究现状的基础上，根据冲击波场超压测试的要求，提出了基于PIC16F877微控制器、CPLD复杂可编程逻辑器件以及nRF24L01无线传输芯片的传感器节点设计方案。对节点数据采集存储模块中的模拟电路和数字电路进行设计和调试，选择ICP传感器，并解决其低电池电压供电问题。重点研究了低功耗高速无线通信模块、爆炸环境下可靠生存的微型天线、保证数据传输无误的无线通信协议以及适用于冲击波场测量的主从式网络拓扑结构。 最后对节点数据传输的平均速率及通信距离进行了测试，并将节点应用于冲击波静爆试验，获取了冲击波场超压实测数据，验证了节点系统的有效性。实测试验表明，该节点具有低功耗、结构简单、使用方便、无线通信可靠和数据捕获率高等特点，在冲击波超压测试领域具有很好的应用前景和推广价值。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2相关研究进展

1.2.1冲击波存储测试技术发展现状

1.2.2各种短距离无线通信技术现状

1.2.3无线传感器网络发展现状

1.3本文的主要工作及章节安排

1.4本章小结

第二章冲击波场无线传感器节点的设计原理及方案

2.1无线传感器节点的设计原理

2.1.1无线传感器网络简介

2.1.2无线传感器节点的结构和特点

2.2无线通信技术相关理论

2.2.1无线通信系统组成

2.2.2无线通信系统性能指标

2.2.3无线信号的调制与解调

2.2.4无线通信协议

2.3冲击波场无线传感器总体设计方案

2.3.1设计需求分析

2.3.2总体方案设计及器件选择

2.4本章小结

第三章冲击波场无线传感器节点硬件设计

3.1无线传感器节点的硬件组成

3.2数据采集存储模块设计

3.2.1 ICP传感器供电电路

3.2.2模拟信号调理电路

3.2.3模数转换及存储电路

3.3无线通信模块设计

3.3.1射频电路

3.3.2单片机控制电路

3.4 USB接口电路设计

3.4.1 FT245RL简介

3.4.2 USB接口电路原理图

3.5天线的设计

3.5.1微带天线的设计原理

3.5.2基于HFSS的微带天线仿真

3.6本章小结

第四章冲击波场无线传感器节点软件设计

4.1开发环境

4.2软件结构设计

4.3无线收发程序设计

4.3.1 nRF24101数据包格式

4.3.2无线通信协议

4.3.3无线通信程序具体实现

4.4 USB接口通信程序设计

4.5串口通信程序设计

4.6本章小结

第五章系统调试及实验

5.1 PCB制作

5.1.1射频电路PCB设计

5.1.2印制电路板抗干扰措施

5.2系统调试

5.2.1系统噪声的抑制

5.2.2硬件调试总结

5.2.3软件调试总结

5.3天线实物测试

5.4系统通信距离及传输速率测试

5.5静爆实验

5.6本章小结

第六章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢